一起蒸汽發(fā)生器運(yùn)行事故技術(shù)分析

陳新，袁永正，顧賢

（1.南通萬達(dá)鍋爐有限公司，江蘇 南通 226001；2.南通中集罐式儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備制造有限公司，江蘇 南通 226006；3.江蘇首城工程設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 南通 226006）

2015年3月10日下午1時(shí)15分鐘左右,某公司A廠區(qū)鍋爐房?jī)?nèi)一臺(tái)蒸汽發(fā)生器發(fā)生了爆炸，爆炸產(chǎn)生的巨大氣浪將鍋爐房及有機(jī)熱載體鍋爐掀翻，導(dǎo)致有機(jī)熱載體爐內(nèi)的油管破裂，引發(fā)大火。同時(shí)，巨大氣浪將工廠內(nèi)及周邊多處汽車和建筑物窗戶的玻璃震碎，并造成數(shù)人輕微受傷。該蒸汽發(fā)生器系江南某容器廠生產(chǎn)，2009年5月出廠。事故調(diào)查技術(shù)組于3月16日下午進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘查。

1 事故概況

A廠區(qū)布置圖如圖1所示，鍋爐房長(zhǎng)約40m、寬約20m，位于整個(gè)廠區(qū)中間位置，鍋爐房東側(cè)和南側(cè)都是生產(chǎn)車間，西側(cè)為一條4m寬的南北方向廠區(qū)道路，北側(cè)為3座酸化塔。鍋爐房?jī)?nèi)東西兩側(cè)南北方向平行排列著2臺(tái)鍋爐，東側(cè)為蒸汽鍋爐、西側(cè)為有機(jī)熱載體鍋爐，其中西側(cè)有機(jī)熱載體鍋爐的北端設(shè)有蒸汽發(fā)生器。

圖1 廠區(qū)平面圖

爆炸后，鍋爐房全部被掀翻，其中西側(cè)的有機(jī)熱載體鍋爐向南整體倒塌，爐體整體向南移位了0.5m；東側(cè)的蒸汽鍋爐一側(cè)面爐墻被炸毀，爐體骨架基本保持完整；位于有機(jī)熱載體鍋爐北部的蒸汽發(fā)生器已全不見蹤影，各個(gè)部件散落在廠區(qū)各個(gè)方向，鍋爐北側(cè)有3個(gè)酸化塔，其中西邊的酸化塔上部有一長(zhǎng)為2m、高為1.5m的大洞，洞內(nèi)嵌有部分蒸汽發(fā)生器的散落零件，而蒸汽發(fā)生器支架基本未位移，但發(fā)生了嚴(yán)重變形。經(jīng)了解，事發(fā)當(dāng)時(shí)，東側(cè)的蒸汽鍋爐正停爐檢修，不在運(yùn)行，而西側(cè)的有機(jī)熱載體鍋爐處于正常運(yùn)行狀態(tài)，蒸汽發(fā)生器位于有機(jī)熱載體鍋爐的北側(cè)，與鍋爐尾部的排煙道相連，利用有機(jī)熱載體鍋爐煙氣余熱加熱后產(chǎn)生飽和蒸汽。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查情況，蒸汽鍋爐一側(cè)爐墻損壞，而受壓本體卻并未坍塌，因此，可以排除蒸汽鍋爐爆炸；有機(jī)熱載體鍋爐整體向南一個(gè)方向倒塌，并且鍋體整體向南移位0.525m，爐管塌落在地但并未爆裂，因此，也可以排除有機(jī)熱載體爐爆炸；蒸汽發(fā)生器的殼體、熱管等部件解體并散落工廠各地，一部分殼體及熱管將北側(cè)的酸化塔炸出了一個(gè)大窟窿后落入酸化塔內(nèi)，而其支架基本未位移但存在變形，上部框架最多處向外變形量達(dá)25cm。

圖2 有機(jī)熱載體鍋爐移位圖

圖3 蒸汽發(fā)生器上部框架變形圖

2 事故分析技術(shù)路線

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察情況初步分析，本次事故可能有以下2個(gè)原因造成：蒸汽發(fā)生器超壓運(yùn)行或蒸汽發(fā)生器本體質(zhì)量問題。

經(jīng)調(diào)查了解，發(fā)生事故的蒸汽發(fā)生器安裝在有機(jī)熱載體爐尾部作為余熱蒸發(fā)器使用，容器內(nèi)徑1500mm，壁厚為12mm，容積為3.62m3，總長(zhǎng)為2625mm，設(shè)計(jì)壓力為1.0MPa，設(shè)計(jì)溫度為200℃,工作介質(zhì)為水和水蒸氣，材質(zhì)為Q345R。這套有機(jī)熱載體爐和蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)是從該公司B廠區(qū)移裝過來的，蒸汽發(fā)生器利用有機(jī)熱載體爐尾部煙氣余熱加熱，產(chǎn)生的蒸汽接到鍋爐房?jī)?nèi)的分汽缸上，由分汽缸接出，供廠內(nèi)車間使用。

從蒸汽發(fā)生器本身已安全使用數(shù)年的情況看，受壓本體存在質(zhì)量缺陷的可能性很小，同時(shí)，爆炸時(shí)蒸汽發(fā)生器本體已經(jīng)被炸得四分五裂，如果從蒸汽發(fā)生器本體質(zhì)量問題入手分析，不僅難度非常大，而且成本非常高，基于此，技術(shù)組決定以是否超壓運(yùn)行作為調(diào)查分析的技術(shù)路線。

3 事故調(diào)查了解的基本情況

經(jīng)調(diào)查了解，該公司2009年5月購(gòu)進(jìn)1臺(tái)有機(jī)熱載體爐和蒸汽發(fā)生器，安裝于B廠區(qū)，蒸汽發(fā)生器接在有機(jī)熱載體爐尾部，蒸汽發(fā)生器利用有機(jī)熱載體爐排出的煙氣作為余熱對(duì)本體內(nèi)的水加熱產(chǎn)生飽和蒸汽。2011年初，該公司將B廠區(qū)的有機(jī)熱載體爐和蒸汽發(fā)生器一起移裝至A廠區(qū)內(nèi)，蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的飽和蒸汽接到鍋爐房?jī)?nèi)的分汽缸上，由分汽缸接出供廠內(nèi)車間使用。

2014年初，位于鍋爐房東側(cè)的燃煤蒸汽鍋爐的省煤器損壞，公司便將位于有機(jī)熱載體爐北側(cè)的蒸汽發(fā)生器的管路系統(tǒng)與蒸汽鍋爐的管路系統(tǒng)進(jìn)行了改造，直接從蒸汽發(fā)生器的上部放空閥出口接了一根管子連接至蒸汽鍋爐進(jìn)水管路系統(tǒng)上，并通過給水泵對(duì)蒸汽發(fā)生器強(qiáng)制給水，將蒸汽發(fā)生器內(nèi)的已加熱汽水混合物擠送至蒸汽鍋爐中，這種改造的目的就是將蒸汽發(fā)生器作為蒸汽鍋爐的省煤器使用。有機(jī)熱載體爐和蒸汽鍋爐同時(shí)使用時(shí)，該臺(tái)蒸汽發(fā)生器的進(jìn)水是通過觀察蒸汽鍋爐上的水位計(jì)進(jìn)行進(jìn)水，當(dāng)蒸汽鍋爐的水位計(jì)顯示水位較低時(shí)，即啟動(dòng)給水泵對(duì)蒸汽發(fā)生器給水，在給水的過程中就強(qiáng)制將蒸汽發(fā)生器中已加熱的汽水混合物擠送至蒸汽鍋爐中，作為蒸汽鍋爐的補(bǔ)水。改造后的相聯(lián)管線見圖5。

圖4 改造后相聯(lián)管線圖

2015年3月9日，事故發(fā)生的前一天，蒸汽鍋爐由于爐墻損壞而停用修理，司爐人員將蒸汽發(fā)生器至蒸汽鍋爐進(jìn)水管路上的閥門關(guān)閉，并通過給水泵將蒸發(fā)器中的水加滿，未將該臺(tái)蒸發(fā)器至分汽缸的主出汽閥門打開，但打開了蒸汽發(fā)生器管線上的排污閥；3月10日，事故當(dāng)天，蒸汽鍋爐仍處于修理狀態(tài)，有機(jī)熱載體爐正常運(yùn)行，加熱產(chǎn)生的高溫導(dǎo)熱油供生產(chǎn)車間使用，公司司爐工因擔(dān)心蒸發(fā)器缺水運(yùn)行，前后2次（10點(diǎn)半和12點(diǎn)）啟動(dòng)給水泵向蒸發(fā)器中加水，加水前均打開管線上的排污閥進(jìn)行排氣減壓操作，加水后又將排污閥關(guān)閉。下午1點(diǎn)15分左右，蒸汽發(fā)生器發(fā)生爆炸。

4 壓力計(jì)算及分析

根據(jù)蒸汽發(fā)生器圖紙等出廠資料，經(jīng)計(jì)算，蒸汽發(fā)生器殼體最大允許工作壓力為1.556MPa，此壓力對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽溫度為203℃，超過此溫度后蒸汽發(fā)生器會(huì)有爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。具體計(jì)算過程如下。

4.1 計(jì)算參數(shù)

公稱直徑：Di=1500mm。

計(jì)算壓力：PC=1.0MPa。

設(shè)計(jì)溫度：Td=200℃。

主要受壓元件材質(zhì)：16MnR。

鋼板負(fù)偏差：C1=0.25mm。

腐蝕裕量：C2=1mm。

焊接接頭系數(shù)：Φ=0.85。

16MnR設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力：[σ]t=170MPa。

標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭形狀系數(shù)：K=1。

4.2 殼體強(qiáng)度計(jì)算

筒體名義厚度：δn=12mm。

筒體有效厚度：δe=δn-C1-C2=10.75mm。

封頭名義厚度：δnh=10mm。

封頭成型后最小厚度：δmin=8.1mm。

4.3 筒體排孔補(bǔ)強(qiáng)校核

兩相鄰開孔中心線與殼體軸線之夾角：θ=26.5°=0.463rad。Secθ：=1.1174。

管孔的軸向節(jié)距：S1=180mm。

孔帶的單位長(zhǎng)度：S2=S1=180mm。

管孔的對(duì)角向節(jié)距：S3=101mm。

開孔直徑：dop=31.8mm。

排孔削弱系數(shù)γ，取γ1，γ2，γ3中的最小值：γ：=0.717。

排孔削弱系數(shù)γ，對(duì)筒體厚度進(jìn)行校核：

根據(jù)上述計(jì)算，筒體名義厚度12mm，有效厚度10.75mm滿足強(qiáng)度要求。

4.4 殼體最大允許工作壓力計(jì)算

即：殼體最大允許工作壓力Pw=1.556MPa。

4.5 壓力分析

蒸汽發(fā)生器的熱管接受有機(jī)熱載體爐出口煙氣加熱，將熱量傳遞給殼體內(nèi)的水，在蒸汽發(fā)生器介質(zhì)進(jìn)出口關(guān)閉的狀態(tài)下，殼體內(nèi)就會(huì)形成汽液兩相共存，此時(shí)，容器內(nèi)的壓力即為隨溫度而變化的飽和蒸汽壓，殼體最大允許工作壓力1.556MPa對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽的溫度為203℃，若超過此溫度，該設(shè)備就會(huì)有爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

5 事故原因技術(shù)分析

事發(fā)當(dāng)日上午，有機(jī)熱載體爐出口油溫為238℃，正常運(yùn)行情況下，尾部煙氣溫度比油溫高約30℃以上，煙氣溫度約在270℃左右。由于尾部煙氣一直在不斷給蒸汽發(fā)生器內(nèi)的水加熱，水不斷汽化，形成汽液共存狀態(tài)，根據(jù)還原的管線圖和了解到的情況，由于蒸汽發(fā)生器所有的出汽閥門在某一時(shí)段均被關(guān)閉，蒸汽發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生的飽和蒸汽得不到泄放，致使蒸汽溫度不斷升高，壓力也不斷上升，當(dāng)飽和汽液在270℃左右的煙氣持續(xù)加熱下，達(dá)到或超過203℃時(shí)，蒸汽發(fā)生器即會(huì)發(fā)生爆炸。由于爆炸威力特別巨大，爆炸后，事故調(diào)查組經(jīng)多次現(xiàn)場(chǎng)勘察，一直未能找到蒸汽發(fā)生器上配置的安全閥和壓力表，也未找到有機(jī)熱載體爐和蒸汽發(fā)生器運(yùn)行情況的記錄，也就無法判斷和計(jì)算出發(fā)生爆炸時(shí)準(zhǔn)確的壓力和溫度數(shù)據(jù)，但可以確定蒸汽發(fā)生器爆炸前安全閥未起到泄放作用。

綜上所述，判斷此次蒸汽發(fā)生器發(fā)生爆炸的原因如下。

該公司A廠區(qū)將有機(jī)熱載體爐尾部煙道中的蒸汽發(fā)生器的管路系統(tǒng)與燃煤蒸汽鍋爐的管路系統(tǒng)進(jìn)行了改造，長(zhǎng)期關(guān)閉了蒸汽發(fā)生器至分汽缸的主出汽閥門（不再將蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽輸送至車間），將蒸汽發(fā)生器改造成了蒸汽鍋爐的省煤器使用。改造后的管路系統(tǒng)不合理，當(dāng)蒸汽鍋爐停用、有機(jī)熱載體爐正常運(yùn)行時(shí)，關(guān)閉了蒸汽發(fā)生器通向蒸汽鍋爐的出水出汽閥門，但未及時(shí)將該臺(tái)蒸汽發(fā)生器至分汽缸的主出汽閥門打開。有機(jī)熱載體爐正常運(yùn)行時(shí)，尾部煙氣一直不斷地給蒸汽發(fā)生器內(nèi)的水加熱，而蒸汽發(fā)生器在某一時(shí)段所有出汽出水閥門都被關(guān)閉（管線上的排污閥在某一時(shí)段也處于關(guān)閉狀態(tài)），安全泄放裝置又未起作用，產(chǎn)生的蒸汽得不到泄放，水不斷汽化，最終形成汽液飽和狀態(tài)，當(dāng)飽和汽液在270℃左右的煙氣持續(xù)加熱下，飽和蒸汽的溫度、壓力不斷升高，當(dāng)飽和蒸汽的溫度達(dá)到或超過203℃時(shí)，內(nèi)部壓力也增大到了設(shè)備的承壓極限，最終致使蒸汽發(fā)生器發(fā)生超壓爆炸。

6 結(jié)語

此次蒸汽發(fā)生器超壓爆炸事故暴露出運(yùn)行單位在鍋爐房安全運(yùn)行管理方面存在嚴(yán)重問題，主要體現(xiàn)在鍋爐房管路系統(tǒng)改造不合理、司爐工操作不規(guī)范等，教訓(xùn)深刻，為了預(yù)防同類事故再次發(fā)生，提出如下建議：（1）不私自改動(dòng)鍋爐房管路系統(tǒng)，如因生產(chǎn)工藝需要確需改動(dòng)，應(yīng)聘請(qǐng)有資質(zhì)的設(shè)計(jì)單位專業(yè)人員出具改造方案，并委托有相應(yīng)資質(zhì)的安裝單位實(shí)施改造。（2）建立健全良好的鍋爐房管理制度，嚴(yán)格監(jiān)督，加強(qiáng)考核。（3）必須有合格司爐證的司爐工進(jìn)行司爐操作，并加強(qiáng)管理。